Les scientifiques de DESY ont mis en place le « métronome » le plus précis au monde pour un réseau d'un kilomètre de large. Le système de chronométrage synchronise un réseau laser-micro-ondes de 4,7 kilomètres de long avec une précision de 950 attosecondes. Une attoseconde est un quintillionième de seconde, ou un millionième de millionième de millionième de seconde. De telles installations peuvent fournir le rythme pour l'enregistrement d'instantanés aux rayons X ultrarapides de processus dynamiques dans le monde des molécules et des atomes. L'équipe germano-américaine autour de l'éminent scientifique DESY, le professeur Franz X. Kärtner du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) à Hambourg, rapporte la réalisation dans la revue scientifique Lumière :science et applications .

« Une précision de synchronisation extrême est importante pour de nombreux domaines de recherche, " déclare le doctorant Kemal Şafak du groupe de Kärtner, l'un des principaux auteurs de l'article. "Par exemple, les tâches de géodésie difficiles nécessitent une synchronisation du signal avec une précision de la picoseconde, qui est un trillionième de seconde. La navigation de haute précision et les réseaux multi-télescopes pour l'astronomie ont besoin d'une précision encore plus élevée allant jusqu'à 40 femtosecondes." Une femtoseconde est un quadrillionième de seconde, ou 1000 attosecondes.

Des centres de recherche comme DESY travaillant sur les lasers à électrons libres à rayons X (XFEL) visent à prendre des instantanés de processus ultrarapides dans le nanocosmos, par exemple la dynamique structurelle des biomolécules ou des réactions chimiques. « Les rayons X offrent une excellente résolution spatiale à l'échelle des atomes, " explique Şafak. " Le défi est d'atteindre la résolution temporelle nécessaire à l'échelle de l'attoseconde, où se déroulent d'importants processus moléculaires et atomiques."

Le FLASH laser à électrons libres pionnier de DESY offre déjà une précision de synchronisation impressionnante à l'échelle de l'installation de 30 femtosecondes. Ceci est important pour les expériences dites pompe-sonde, où un processus dynamique – une réaction chimique par exemple – est démarré avec une impulsion laser et analysé avec une autre impulsion laser après un délai bien défini. La répétition de l'expérience avec des temps de retard augmentant lentement produit une série d'instantanés et crée un film au ralenti de la réaction ou du processus à l'étude. Sans synchronisation entre les impulsions, la dynamique ne peut pas être résolue clairement dans le film.

"Si nous pouvons atteindre une précision encore meilleure, cela promettrait une science radicalement nouvelle en mettant en lumière les processus moléculaires et atomiques qui se déroulent à l'échelle de l'attoseconde. Cela devrait révolutionner de nombreux domaines de recherche, de la biologie structurelle à la science des matériaux et la chimie à la physique fondamentale, " explique Kärtner, qui est également professeur de physique à l'Université de Hambourg et continue de diriger des programmes de recherche actifs au Massachusetts Institute of Technology (MIT), où il a commencé à travailler sur des systèmes de distribution de synchronisation de haute précision il y a plus de dix ans.

« Les installations telles que les XFEL et les centres d'attoscience basés sur le laser nécessitent une synchronisation au niveau de l'attoseconde à l'échelle du système de dizaines de signaux optiques et micro-ondes, souvent sur des distances kilométriques, " ajoute Kärtner. A cet effet, les chercheurs ont développé un système de distribution de synchronisation optique qui utilise le train d'impulsions à très faible bruit d'un laser à mode verrouillé comme signal de synchronisation. En utilisant des liaisons à fibres optiques stabilisées, le signal de synchronisation est transféré sur une longue distance d'un emplacement central à plusieurs stations d'extrémité, où une synchronisation efficace et robuste est réalisée avec des sources optiques et micro-ondes distantes.

En développant de nouveaux détecteurs de synchronisation ultrarapides et en supprimant soigneusement les non-linéarités des fibres ainsi que les contributions fondamentales au bruit, les scientifiques ont pu atteindre une précision temporelle de 950 attosecondes dans un réseau laser-micro-ondes de 4,7 km de long pendant 18 heures. "A notre connaissance, c'est la première fois qu'une synchronisation meilleure qu'une simple femtoseconde est obtenue entre des lasers distants à verrouillage de mode et des oscillateurs hyperfréquences à l'échelle de l'installation pendant une période prolongée, " dit Şafak.

"Le réseau laser-micro-ondes de précision attoseconde permettra aux XFEL de nouvelle génération et à d'autres installations scientifiques de fonctionner avec une précision de synchronisation sans précédent, les aider à développer leur plein potentiel, " souligne Kärtner. " Cela va conduire de nouveaux efforts scientifiques vers la réalisation de films atomiques et moléculaires à l'échelle de l'attoseconde, ouvrant ainsi de nombreux nouveaux domaines de recherche en biologie, développement de médicaments, chimie, physique fondamentale et science des matériaux. Outre, cette technique devrait également accélérer les développements dans de nombreux autres domaines de recherche de pointe nécessitant une résolution temporelle élevée tels que la comparaison d'horloges optiques ultra-stables, l'astronomie des ondes gravitationnelles et les réseaux d'antennes optiques cohérents."